学习目标:
学习MIMO信道的衰落和干扰学习内容:
- 衰落和干扰,让无线通信的研究变得有趣
衰落本身来无影,去无踪,研究中,我们也只能通过概率统计的方法,才能捕获它扑朔的身影。
无线信道根据其自身特点和研究需要,可以建模成多种模型。其中最经典的,江湖人称“独立同分布模型(independentlyand identically distribute,简称i.i.d)”。比如在介绍一个传播环境时,我们说 “……在一个4x1的MISO系统中,假设每条路径的传输成功率都是1/2……”描述的就是这种模型。其中“独立”和“同分布”俩个名词都源自概率论。“独立”是说每条路径的传输成功与否,相互之间并不影响;而“同分布”表示概率分布相同,即成功率都是1/2。
- 衰落相关性
我们已经知道,对付这种信道最有效的方法之一就是分集,获得的分集增益越多,传输的可靠性就越高。但是,分集技术的应用并没有让江湖太平多久,“衰落相关性”的出现,又在江湖上掀起了一阵波澜。 用一句话概括相关性,就是“他好,我也好”。
在MIMO系统中,“衰落相关性”扮演者重要的角色。先来看一个2x1的MISO系统,为了保证传输质量,我们采用发送分集技术。我们已经知道,2x1的MISO系统有两条传播路径,最大分集增益是2。现在考虑下面的环境:假设发送端到接收端的距离特别远,远远大于A与B的天线间距,这时我们突然发现,两条传播路径几乎平行到达天线C,并且这两条传播路径挨得特别近。此时,如果沿这个传播方向上发生严重的衰落,两条传播路径上的信号会同时受到影响,这便是“衰落相关性”的厉害。既然两条路径挨得如此近,又经历相同的衰落,我们干脆把它们合并成一条,2x1的MISO系统退化成了1x1的SISO系统!
我们使用了两根发送天线,效果居然和单天线系统相当,这太令人失望了。那好,我们在接收端也使用2根天线,组成2x2的MIMO系统,别忘了,2x2的MIMO系统拥有的分集增益可是4。现在的情况又如何呢?我们依然考虑上述传播环境,奇怪的事情再次发生,4条传播路径纠缠在一起,几乎无法区分。同样,若这个传播方向上的衰落很严重的话,4条传播路径将无一幸免。2x2的MIMO系统也退化成了SISO系统!
现在困扰我们最大的问题,就是传播路径纠缠在一起,若能分离出各条路径,问题也就迎刃而解了。我们回到2x2的MIMO系统上,灵感来了,如果我们加大天线间的距离,不就能区别出传播路径了么?沿着这个思路,我们首先拉大两个发送天线的间距。现在,尽管路径1和2,3和4之间还无法区分,但两天线间的路径已经明显分离了,换言之,我们恢复出了两个分集增益,成功了第一步。接下来,我们再拉大接收天线间的距离,现在,4条路径都清晰可辨,MIMO系统获得了重生!
- 增加天线距离和利用反射体的存在
通过加大天线间间距来恢复分集增益的做法,看似有效,实则有些“简单粗暴”。试想,若我们的手机将来装配了多天线,为了保证MIMO系统的性能,难道让手机顶着牛角一样分叉的天线么?那么除了增大天线间距离的办法,还有没有别的思路呢?我们再看下面的传播环境:发送端到接收端的传播距离依然很远,且天线间保持小间距,不同的是,这次在周围有很多反射体存在。本来天线小间距的分集特性就不好,现在又有反射体来捣乱,形式不容乐观。但是,奇妙的事情发生了,原来令我们头疼的反射体,这一次却阴差阳错的帮了我们的大忙。正是由于它们的存在,清晰的分离出了4条传播路径,居然让小天线间距的2x2MIMO系统同样获得了4个分集增益。看来“真气所至,草木皆为利刃”。无线通信中,如何发现并利用一切可能的资源,实现“变废为宝”,实乃一大学问。
我们来分析一下刚才的例子。虽然天线间间距很小,但大量反射体的存在实际上打乱了信号的传播路径,让信号从“不同”的角度到达接收端,间接的实现了路径分离的效果。所以总结以上发现,我们找到了**“衰落相关性”的秘籍,那就是:
增大天线间距,或者差异化信号的发射角度(DoD,Direction of Departure),到达角度(DoA,Direction of Arrival)。
- MIMO通信网络的现实部署
现实中MIMO通信网络的部署也能从上述分析中得到启示:在一个典型的小区蜂窝网中,基站往往架设在较高的地方,四面开阔,极少有反射体和遮挡物,所以基站的发射信号角度范围相对集中,为了保证MIMO系统享有较好的性能,通常在基站侧要拉大天线间的间距(至少为5到10倍波长);而在用户侧情况就不同了。我们周围充斥着大量的建筑,墙体,用户本身就处在天然的,丰富的反射体包围中,所以用户设备一般不需要太大的天线间距就可以满足性能的需求了(一般为波长的0.5倍到1倍),现在你不用担心将来的手机长着像牛角一样分叉的天线了。